基于優(yōu)化成簇多跳的LEACH協(xié)議改進(jìn)

石美紅　王臻躍　姜壽山　趙　輝

(西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院　陜西 西安 710048)

?

基于優(yōu)化成簇多跳的LEACH協(xié)議改進(jìn)

石美紅王臻躍姜壽山趙輝

(西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院陜西 西安 710048)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議因簇內(nèi)和簇間的能耗不均帶來(lái)的覆蓋空洞和能量空洞的問(wèn)題，提出一種基于優(yōu)化成簇多跳的LEACH協(xié)議改進(jìn)。依據(jù)通信射頻能耗模型，在成簇時(shí)，采用優(yōu)化分區(qū)和雙簇首模式，避免因成簇空間和簇首分布不均帶來(lái)的“覆蓋空洞”問(wèn)題；在簇間路由時(shí)，基于簇首能量和與基站的距離，選擇代價(jià)最小的路由，彌補(bǔ)了因簇首能耗不均導(dǎo)致“能量空洞”的現(xiàn)象。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，與LEACH及同類(lèi)改進(jìn)算法相比，該算法有效地降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議優(yōu)化成簇雙簇首多跳路由

0　引　言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN[1-3]利用各種微型傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)待監(jiān)測(cè)對(duì)象的各種信息。WSN因其構(gòu)建不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，具備部署靈活、自組織能力強(qiáng)以及可靠性高等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療和環(huán)境保護(hù)等眾多鄰域[4,5]。能量受限是WSN的顯著特點(diǎn)，如何高效利用節(jié)點(diǎn)能量并最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期是WSN研究領(lǐng)域中始終面臨的一個(gè)難點(diǎn)和實(shí)用性問(wèn)題。

在WSN路由協(xié)議中，分簇路由協(xié)議[6,7]占據(jù)著重要的地位。LEACH[8]算法是最早提出的一種分簇路由協(xié)議。它根據(jù)設(shè)定的門(mén)限閾值從網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)循環(huán)選擇簇首，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度選擇要加入的簇。簇結(jié)構(gòu)形成后，由簇首負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)數(shù)據(jù)并向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。LEACH協(xié)議的最大優(yōu)勢(shì)是自適應(yīng)集簇。但也存在著明顯的不足，諸如，因隨機(jī)選擇簇首和頻繁成簇，致使簇內(nèi)以及簇間的能耗不均；因采用單跳模式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，致使簇首間的能耗不均。隨后，人們提出了各種改進(jìn)算法，如LEACH-C[9](LEACH-Centralized)算法由基站集中控制分簇，減少了分簇所產(chǎn)生的通信和計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)；針對(duì)單跳路由的弊端，LEACH-M[10](LEACH-Multi-hop)算法采用距基站最短的優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，減少了通信能耗；RPCR[11](Regional Partitioned Clustering Routing)協(xié)議采用均勻分區(qū)的方法，降低了成簇的通信開(kāi)銷(xiāo)；EEUC[12](energy-efficient unequal clustering)算法通過(guò)非均勻分簇和多跳路由相結(jié)合，使得簇首間的能耗均衡；文獻(xiàn)[13]依據(jù)節(jié)點(diǎn)的初始能量及剩余能量，改進(jìn)了簇首選擇機(jī)制，通過(guò)單跳和多跳相結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，降低了能耗。但是，這些算法存在的共性問(wèn)題是沒(méi)有從全局和局部相結(jié)合的角度綜合考慮簇內(nèi)、簇首間以及簇與簇間的能耗均衡，致使網(wǎng)絡(luò)存在“覆蓋空洞”和“能量空洞”的問(wèn)題[14,15]，影響了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于LEACH協(xié)議，結(jié)合其改進(jìn)算法的優(yōu)勢(shì)，提出一種基于優(yōu)化成簇多跳的LEACH協(xié)議改進(jìn)OCMR(Clustering and Multi-hop Routing)。該算法基于通信射頻能耗模型和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，通過(guò)優(yōu)化分簇和基于位置與能量的雙簇首競(jìng)選，均衡簇內(nèi)和簇間的負(fù)載；依據(jù)簇首的能量和空間分布，以通信代價(jià)最小的多跳方式選擇路由，均衡簇首間負(fù)載。經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真測(cè)試，驗(yàn)證了OCMR算法的可行性和有效性。

1　OCMR算法

1.1網(wǎng)絡(luò)分簇及其優(yōu)化機(jī)制

在網(wǎng)絡(luò)分簇的過(guò)程中，確保簇內(nèi)覆蓋度和簇間連接度是至關(guān)重要的。如果簇內(nèi)覆蓋度不足或過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)“覆蓋空洞”或“覆蓋重疊”的問(wèn)題。同樣，簇間連接度不足或過(guò)大，會(huì)引起“能量空洞”或“能量浪費(fèi)”的問(wèn)題。因此，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的合理分簇和均衡能耗是解決上述問(wèn)題的方法之一。

依據(jù)LEACH協(xié)議的通信射頻能耗模型：

(1)

ERx=K×Eelec

(2)

式中，ETx為發(fā)送端消耗的能量，ERx為接收端消耗的能量，K是傳輸數(shù)據(jù)包的位數(shù)，Eelec是發(fā)送或者接收1 bit數(shù)據(jù)消耗的能量，εfs是近距離發(fā)射放大器參數(shù)，εmp是遠(yuǎn)距離發(fā)射放大器參數(shù)，d是發(fā)送端與接收端間射頻信號(hào)傳輸距離，d0是收發(fā)端間射頻信號(hào)傳輸?shù)呐R界距離。由式(1)分析不難看出，通信射頻能耗主要包括數(shù)據(jù)的收發(fā)能耗和通信能耗。

圖1　網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分區(qū)后的示意圖

圖2　簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑示意圖

規(guī)則1保證簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在其子區(qū)域內(nèi)覆蓋區(qū)域最大、子區(qū)域外覆蓋區(qū)域最小。

基于上述規(guī)則，可以得出簇首節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑Rc滿(mǎn)足：

(3)

簇間連接度依賴(lài)于各簇首節(jié)點(diǎn)的分布位置及其通信距離Rt。假設(shè)CH2,CH3,…,CHi(i=2,3,…,DN)是簇首CH1的鄰域簇首，分布位置如圖3所示，其中，DN為分簇的數(shù)目。如果鄰域簇首CHi與簇首CH1間的臨界分布位置如圖4所示，那么，由圖可知：

(4)

圖3　CH1簇首與其鄰域簇首CHi分布的示意圖

圖4　CH1簇首與其鄰域簇首CHi分布的臨界距離

為了確保簇首與其鄰域簇首間的穩(wěn)定連接，同時(shí)避免能量浪費(fèi)，Rt選取應(yīng)遵循規(guī)則2。

規(guī)則2保證簇首CHi與CHj(i≠j)間連接覆蓋它們所在簇的全部區(qū)域且通信能耗最小。

由此可得，簇首間的連接半徑Rt應(yīng)滿(mǎn)足：

(5)

1.2分簇?cái)?shù)目?jī)?yōu)化計(jì)算

假定在一個(gè)M×M的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻分布N個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中基站位于區(qū)域中心。欲把其分成DN個(gè)簇，則每個(gè)簇包含的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)為(N/DN)-1個(gè)。

對(duì)于成員節(jié)點(diǎn)，每輪中的能耗表現(xiàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)傳輸至簇首這兩部分。因簇內(nèi)的通信距離較短，一般使用自由空間信道模型，那么，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的能耗Enon-CH為：

(6)

式中，dtoCH是成員節(jié)點(diǎn)到其簇首間的距離。如果簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布，則節(jié)點(diǎn)分布密度p=1/(M2/DN)。依據(jù)規(guī)則1，若簇首位于子區(qū)域中心，那么，成員節(jié)點(diǎn)到簇首的距離平方定義為：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，C是以基站或鄰域簇首為圓心、d0為半徑的圓域，S是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域，(x,y)是簇首在網(wǎng)絡(luò)中的位置。

在每一輪中，每個(gè)簇首的能耗ECluster為：

(11)

那么，網(wǎng)絡(luò)的總能耗ETotal是：

ETotal=DN·ECluster

(12)

分別將式(7)、式(9)、式(10)和式(11)代入式(12)，并對(duì)ETotal的變量DN求偏導(dǎo)，令其導(dǎo)數(shù)為0，得到最優(yōu)值為：

(13)

由式(13)分析不難看出，最佳分簇?cái)?shù)目DNOPT主要與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模M、節(jié)點(diǎn)數(shù)目N密切相關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)目確定的情況下，DNOPT就唯一確定。為了讓分區(qū)后簇結(jié)構(gòu)區(qū)域形狀更接近網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域，采用行與列等分的分區(qū)方式，則分區(qū)后為正方形子區(qū)域，故最終的分簇?cái)?shù)目應(yīng)該為DNOPT值附近的平方數(shù)。

1.3OCMR算法步驟

OCMR算法分為初始化網(wǎng)絡(luò)、競(jìng)選簇首和構(gòu)建簇間路由三個(gè)步驟。網(wǎng)絡(luò)初始化后，按“輪”競(jìng)選簇首和構(gòu)建簇間路由。

步驟1初始化網(wǎng)絡(luò)

規(guī)則3由基站完成網(wǎng)絡(luò)分區(qū)形成簇，并賦予每個(gè)簇唯一的標(biāo)識(shí)ID，每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄自己所在簇的ID。

(1) 基于LEACH協(xié)議的通信射頻能耗模型，計(jì)算能耗最小的最佳分簇?cái)?shù)目DNOPT。

(2) 根據(jù)確定的DNOPT對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)優(yōu)化分簇，每個(gè)子區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)簇，給每個(gè)簇i(i=1,2,…,DNOPT)賦予唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)ID。

(3) 計(jì)算每個(gè)簇i的中心位置(xic,yic)以及覆蓋范圍半徑Rc。

(4) 計(jì)算每個(gè)簇i的節(jié)點(diǎn)平均能量Eai以及距簇中心(xic,yic)的平均距離Dai。

(5) 為每個(gè)簇構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組AreaStruct()，用于存儲(chǔ)包括ID、(xic,yic)和Rc分區(qū)信息，并廣播以上簇信息。

步驟2競(jìng)選簇首

規(guī)則4競(jìng)選簇首時(shí)，一旦簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)作為簇首的身份信息時(shí)，立即退出競(jìng)選。

(1) 當(dāng)簇i內(nèi)的節(jié)點(diǎn)Nj(j=1,2,…)接收到簇信息后，計(jì)算自身與簇中心(xic,yic)的距離Sj。

(2) 每個(gè)Nj依據(jù)所在簇的Sj和自身的剩余能量Erj，按照式(14)計(jì)算廣播時(shí)間tj：

(14)

式中，TCH是系統(tǒng)預(yù)定義的簇首競(jìng)選時(shí)間，其取值為簇內(nèi)最遠(yuǎn)兩端節(jié)點(diǎn)間信息傳播時(shí)間，以避免簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)競(jìng)選簇首時(shí)因并發(fā)而產(chǎn)生的沖突。式(1)表明，如果節(jié)點(diǎn)Nj滿(mǎn)足ErjDai條件時(shí)，則放棄競(jìng)選簇首；否則，距簇中心(xic,yic)的距離Sj越小，剩余能量Erj越大，因廣播時(shí)間tj越短而成為簇首的機(jī)會(huì)就越大。

(3) 用tj時(shí)間啟動(dòng)定時(shí)器，若定時(shí)時(shí)間到還未接收到其他節(jié)點(diǎn)的簇首身份信息時(shí)，則節(jié)點(diǎn)Nj向簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇首的身份信息；否則，節(jié)點(diǎn)Nj為成員節(jié)點(diǎn)。

(4) 已選定為簇首的節(jié)點(diǎn)Nj，在其簇內(nèi)，以節(jié)點(diǎn)Nj為中心，半徑為Sj的區(qū)域Aj內(nèi)，選擇副簇首。如果節(jié)點(diǎn)Nk滿(mǎn)足式(15)條件, 則作為副簇首。

(15)

步驟3構(gòu)建簇間路由

規(guī)則5在簇內(nèi)，主簇首負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)的收發(fā)及融合，副簇首承擔(dān)簇間路由的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(1) 記錄參與多跳路由的簇首節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)CHi(i = 1,2,…,DNOPT)及其對(duì)應(yīng)位置(xi,yi)，并計(jì)算簇首節(jié)點(diǎn)CHi(i=1,2,…,DNOPT)到基站以及到其鄰域簇首CHn(n=1,2,…,M，M為CHi的鄰域簇首數(shù)目)間的距離。

(2) 根據(jù)式(16)計(jì)算CHi與其鄰域簇首CHn間構(gòu)建路由的代價(jià)函數(shù)cost(i,n)：

(16)

其中，dCHitoBS和dCHitoCHn分別表示簇首CHi到基站BS間、CHi到鄰域簇首CHn間的距離；dCHntoBS表示鄰域簇首CHn到基站BS間的距離；ECHn表示鄰域簇首CHn的剩余能量。當(dāng)i=n時(shí)，即簇首選擇自身作為中繼節(jié)點(diǎn)。

(3) 如果CHi的鄰域簇首CHp滿(mǎn)足式(17)條件，則選擇CHp作為CHi的中繼路由節(jié)點(diǎn)：

cost(i,p)=min{cost(i,n)}n=1,2,…,M

(17)

數(shù)據(jù)傳輸階段，主簇首采用TDMA機(jī)制承擔(dān)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯聚，并傳送給副簇首；副簇首采用CSMA機(jī)制完成簇間路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站，之后進(jìn)入下一輪。

2　實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)仿真的環(huán)境及其參數(shù)設(shè)定

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)具有如下屬性：

(1) 基站BS惟一，部署在網(wǎng)絡(luò)左下角，并有足夠的能量；

(2) 所有傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在邊長(zhǎng)為M的正方形區(qū)域中，傳感器節(jié)點(diǎn)部署后不再移動(dòng)；

(3) 除BS外，所有傳感器節(jié)點(diǎn)具有惟一的標(biāo)識(shí)，且具有相同的計(jì)算和通信能力以及初始能量，但能量有限；

(4) 所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有功率控制能力，可改變自己的傳輸功率。

本文在Matlab 7.6(R2008a)的平臺(tái)下進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表1所示。根據(jù)式(13)計(jì)算DN的最優(yōu)值DNOPT為19.92，與其最近的平方數(shù)是16。為了檢驗(yàn)DN值的最優(yōu)性，圖5是在連續(xù)選取不同的DN值，其平均每輪網(wǎng)絡(luò)能耗的變化曲線。從圖中不難看出，DN在最優(yōu)值下其能耗最低。

表1　實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)

圖5　不同DN值的能耗

2.2結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證OCMR算法的有效性，分別與LEACH算法、RPCR、LEACH-M以及文獻(xiàn)[13]算法進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)能耗和網(wǎng)絡(luò)生命周期性能的對(duì)比。

圖6(a)、(b)是經(jīng)本文算法和LEACH算法處理得到的分簇結(jié)構(gòu)。相對(duì)于LEACH算法，OCMR算法的簇結(jié)構(gòu)分布更均勻，各簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布密度差異較小。這是因?yàn)長(zhǎng)EACH是以隨機(jī)選擇的簇首作為分簇的依據(jù)，而OCMR算法是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)分布劃分簇結(jié)構(gòu)。圖7和圖8是隨著輪數(shù)的增加，不同算法的網(wǎng)絡(luò)能耗和網(wǎng)絡(luò)剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化曲線。從圖7和圖8的計(jì)算結(jié)果看，在相同時(shí)間輪數(shù)下，OCMR算法的網(wǎng)絡(luò)能耗和第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)對(duì)應(yīng)的輪數(shù)都優(yōu)于其他算法。這是因?yàn)镺CMR算法結(jié)合全局和局部的簇分布和節(jié)點(diǎn)能耗，均衡簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)、簇首間以及簇與簇間的負(fù)載，避免或緩解了網(wǎng)絡(luò)“覆蓋空洞”和“能量空洞”的問(wèn)題。

圖6　分簇結(jié)構(gòu)比較

圖7　網(wǎng)絡(luò)能量消耗的變化　圖8　網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化

圖9給出了隨著輪數(shù)遞增，不同算法的節(jié)點(diǎn)剩余能量均值的變化情況。結(jié)果表明，在相同時(shí)間輪數(shù)下，OCMR算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量均值均高于其他算法，這表明該算法的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性?xún)?yōu)于其他算法。圖10是隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均能耗的遞增，不同算法的基站接收的數(shù)據(jù)包變化趨勢(shì)。結(jié)果顯示，在相同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均能耗下，相對(duì)其他算法，本文算法可使得基站接收到更多的數(shù)據(jù)包，表明網(wǎng)絡(luò)的吞吐量較高，這是因?yàn)镺CMR算法使得簇內(nèi)、簇首、簇間的能量分布均衡所致。

圖9　網(wǎng)絡(luò)剩余能量均值比較　圖10　基站接收的數(shù)據(jù)包數(shù)目比較

為了驗(yàn)證OCMR算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期性能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)分布不同規(guī)模的節(jié)點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡和全部節(jié)點(diǎn)死亡對(duì)應(yīng)的輪數(shù)變化情況，如圖11和圖12所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，從總體上看，各種算法都是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)死亡對(duì)應(yīng)的輪數(shù)趨于下降。但是，不難看出，OCMR算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期比其他算法更長(zhǎng)。

圖11　第1個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡所對(duì)應(yīng)的輪數(shù)變化　　圖12　全部節(jié)點(diǎn)死亡所對(duì)應(yīng)的輪數(shù)變化

3　結(jié)　語(yǔ)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分簇路由算法有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，如何高效利用能量、降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期一直是分簇路由算法面臨的具有挑戰(zhàn)性的研究?jī)?nèi)容之一。針對(duì)LEACH及其改進(jìn)的分簇路由算法存在的問(wèn)題，提出了一種基于優(yōu)化成簇多跳的LEACH協(xié)議改進(jìn)算法，其主要特點(diǎn)是：(1) 通過(guò)優(yōu)化分簇和競(jìng)選簇首，均衡網(wǎng)絡(luò)的能量分布，避免因成簇空間和簇首分布不均帶來(lái)的“覆蓋空洞”問(wèn)題；(2) 采用雙簇首模式和多跳路由，均衡網(wǎng)絡(luò)中簇首間的負(fù)載，彌補(bǔ)了因簇首節(jié)點(diǎn)能耗不均導(dǎo)致“能量空洞”的問(wèn)題。

[1] 馬祖長(zhǎng),孫怡寧,梅濤.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].通信學(xué)報(bào),2004,25(4):114-124.

[2] 李建中,高宏.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2008,45(1):1-15.

[3] 錢(qián)志鴻,王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013,35(1):215-227.

[4] 胡曦明,董淑福,王曉東,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用模式研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(3):1-3.

[5] 馬德新,徐鵬民,許金普,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].電子元件與材料,2013,32(12):81-82.

[6] 沈波,張世永,鐘亦平.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議[J].軟件學(xué)報(bào),2006,17(7):1588-1600.

[7] Sohrabi K,Gao J,Ailawadhi V,et al.Protocols for self-organization of a wireless sensor network[J].IEEE Personal Communications,2000,7(5):16-27.

[8] Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy efficient communication protocol for wireless micro sensor networks[C]//Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences.Hawaii,USA:IEEE Computer Society,2000:3005-3014.

[9] Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H.An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communication,2002,1(4):660-670.

[10] 李巖,張曦煌,李彥中.基于LEACH協(xié)議的簇頭多跳(LEACH-M)算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007,28(17):4158-4160.

[11] Duan C Q,Sun J J,Zhou D,et al.An Energy Efficient Regional Partitioned Clustering Routing Algorithm for Wireless Sensor Networks[C]//Second International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems.Tianjin,China:IEEE Press,2009:205-208.

[12] Li C F,Ye M,Chen G H,et al.An energy-efficient unequal clustering mechanism for wireless sensor networks[C]//IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems. Washington,DC:IEEE Press,2005:597-604.

[13] 李亞男,徐夫田,陳金鑫.基于LEACH的WSNs分簇優(yōu)化策略[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(5):670-674.

[14] 王東方,齊小剛.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決能量空洞問(wèn)題綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,37(12):18-21.

[15] 胥楚貴,鄧曉衡,鄒豪杰.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)策略[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(2):256-259.

IMPROVING LEACH PROTOCOL BASED ON OPTIMISED CLUSTERING AND MULTI-HOP ROUTING

Shi MeihongWang ZhenyueJiang ShoushanZhao Hui

(College of Computer Science,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,Shaanxi,China)

In light of the problems of coverage holes and energy holes of cluster-based routing protocol in wireless sensor networks (WSNs) caused by uneven energy consumption within the cluster heads and inter-cluster, the paper proposes an improved LEACH protocol based on optimised clustering routing. According to energy consumption model of communication radio frequency, when clustering it adopts the modes of partition optimisation and dual-cluster heads to avoid the “coverage hole” problem brought in by uneven distribution in clustering space and cluster heads; When inter-cluster routing it selects the route with least cost based on cluster heads energy and the distance to the base station, thus makes up the “energy hole” phenomenon led by uneven energy consumption of cluster heads. The improvement has been tested by simulation experiment, and results show that compared with LEACH and the similar improved algorithms, this one effectively reduces the energy consumption of network and prolongs WSNs lifetime, meanwhile it enhances the data throughput of networks as well.

Wireless sensor networksLEACH protocolOptimised clusteringDual-cluster headsMulti-hop routing

2015-05-22。國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF07B 01)。石美紅，教授，主研領(lǐng)域：智能信息處理，圖形圖像處理。王臻躍，碩士生。姜壽山，教授。趙輝，碩士生。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.029